CN110615107A - 可加热的前缘装置、前缘加热系统以及具有其的飞行器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于飞行器的可加热的前缘装置10。前缘装置10具有基本结构14和加热层16，其中加热层16包括纤维复合层20，所述纤维复合层具有纤维并且具有包围所述纤维的基质。所述纤维至少部分地被设计为传导纤维，即被设计为具有电绝缘涂层的碳纤维。通过作为电加热元件起作用的传导纤维可以设定前缘装置10的外侧面28处所期望的表面温度。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于飞行器的可加热的前缘装置、一种前缘加热系统以及一种具有这种前缘装置或这种前缘加热系统的飞行器。
背景技术
在某些环境条件以及飞行状态下，飞行器的直接指向气流的构件可能容易结冰。然而，从现有技术中已知大量装置，这些装置能够实现这些构件的无冰状态。例如已知的是防止冰初始附着的装置(所谓的防冰)。还已知的是能够除去已附着的冰的装置(所谓的除冰)。这些装置可以基于热量引入，例如借助取自涡轮喷气发动机的压缩机极的引气。除此之外还已知的是如下装置，在这些装置中冰通过前缘区域的主动变形(例如通过可气动膨胀的、由弹性体制成的气垫)而裂开。
在现代商用飞行器中，消耗引气受到越来越多的限制。因此也存在能够以其他方式产生热量的装置。例如已知的是：将具有电阻加热器的加热垫布置在流动构件的前缘的内侧面上，以便局部地产生并且输出热量。
EP 2 873 617 A1公开了一种用于对飞行器去冰和/或避免形成冰的装置，该飞行器具有用于将热量输出到飞行器的表面区域上的热量输出设备，该热量输出设备被设计为线性地输出热量，以便在积聚在表面区域上的冰中产生预定断裂点或预定断裂线或分离线。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种前缘装置，该前缘装置以替代性的并且改进的方式被设置成用于局部加热并且具有尽可能轻的重量。
本发明的目的通过一种用于飞行器的可加热的前缘装置得以解决，所述前缘装置具有：前缘基本结构、加热层，其中所述加热层包括纤维复合层，所述纤维复合层具有纤维并且具有包围所述纤维的基质，其中所述纤维至少部分地被设计为传导纤维，并且其中所述传导纤维被设计为具有电绝缘涂层的碳纤维。
根据本发明，传导纤维被整合在前缘装置中，其中电源可以在端侧施加到这些纤维上，以便引导加热电流通过这些纤维。由于传导纤维的电绝缘涂层能够完全避免漏电流或类似效应，原因在于绝缘纤维可以彼此随意触碰而不会发生漏电流。这种碳纤维涂层借助于直至超过700摄氏度的极高耐热性也可以相对廉价地并且省时地在批量生产中制造。本发明的另一个优点在于，传导纤维的碳纤维可以直接用作纤维复合层的增强纤维并且在一定程度上构成纤维复合层的自然组分，而没有造成不连续性或电化学反应。电绝缘涂层还可以以如下方式选择，使得不损害键合行为，即，传导纤维具有与未经涂覆的碳纤维相似的键合行为。
原则上，传导纤维可以与通常使用的未经涂覆的碳纤维完全相同的方式在纤维复合材料制造中进行加工和处理。此外，传导纤维甚至还可以直接作为纤维复合构件的增强纤维起作用。纤维复合层的纤维也可以被设计为增强纤维。
并不是根据本发明的地板的所有纤维都必须被设计为传导纤维，即被设计为具有电绝缘涂层的碳纤维。在纤维复合层中也可以仅将特定份额的纤维设计为传导纤维，而将另一份额的纤维设计为传统的、即例如不通电的纤维(即，没有绝缘涂层和/或呈不导电的玻璃纤维的形式)。根据本发明的传导纤维通常是实心的或固体纤维(即，具有连续的传导横截面)。但是原则上，也可以考虑的是：沿着其纤维纵向方向具有空腔的根据本发明的传导纤维(空心纤维)。
根据本发明的前缘装置的前缘基本结构例如可以包括多个纤维复合结构，例如一个或多个纤维复合层(例如预浸渍体等)，以便提供前缘基本结构的基本强度。根据本发明的前缘装置的前缘基本结构例如也可以包括具有蜂窝结构的层。这种蜂窝结构可以为前缘装置赋予附加的结构强度。
通过传导纤维在加热层中均匀地产生热量。通常，加热层被布置在前缘装置的外侧。根据本发明的前缘装置可以是飞行器的机翼或尾翼的至少一个部件。
根据本发明的前缘装置例如可以通过具有如下步骤的方法制造：彼此叠加地布置前缘基本结构、加热层以及可选的保护层或侵蚀层；以及共同固化这些元件，从而构成前缘装置复合体。根据本发明，传导纤维的碳纤维不仅作为加热元件而且同时也作为纤维复合层或整个前缘装置的增强元件起作用。
一种优选的实施方式的特征在于，所述传导纤维构成一个或多个闭合电路。由此可以以有利的并且根据本发明的方式引导加热电流通过传导纤维。通过电绝缘涂层避免漏电流。绝缘纤维可以彼此随意触碰，而不会发生短路。
在一种同样优选的实施方式中，所述绝缘涂层是聚合物涂层、尤其是聚合物电解质涂层。尤其，所述涂层可以被设计为固体聚合物电解质涂层(英文：“solid polymerelectrolyte”)。聚合物电解质涂层例如可以包含单甲基丙烯酸甲氧基聚乙二醇酯(英文：“methoxy polyethyleneglycol monomethacrylate”)。这种聚合物电解质涂层可以具有至少700摄氏度的耐热性，但在此同时提供用于键合到纤维增强构件(例如碳纤维增强的热塑性塑料)中的优异的键合特性。
如下实施方式也是优选的，其中所述传导纤维在所述纤维复合层中的布置形式选自以下的组：单纤维、纤维束、纤维带、纤维片(Fasergelege)、纤维垫、纤维织物和纤维无纺布。根据本发明的传导纤维可以以不同的变型形式布置或整合。传导纤维的根据本发明的加热功能原则上并且有利地保持与传导纤维的布置形式无关。
此外优选的是一种前缘装置，所述前缘装置进一步包括：保护层、尤其外部的侵蚀层，所述保护层被布置在所述前缘装置的外侧。保护层主要用作保护以免受侵蚀以及对层结构的其他机械损伤。保护层可以包括漆、颜料、金属保护层等。当然，保护层也可以被构造为多层的。
一种前缘装置的同样优选的实施方式的特征在于，所述电绝缘涂层具有在0.1微米至1微米范围内的厚度。电绝缘涂层尤其可以具有0.5微米的厚度。电绝缘涂层完全包围传导纤维的碳纤维。换言之：电绝缘涂层被安置到碳纤维上。碳纤维例如可以具有在6微米和7微米之间的直径，从而得出传导纤维的直径为约7微米至8微米。
优选地，传导纤维以如下方式整合在纤维复合层中，使得传导纤维至少在端侧从纤维复合层中伸出。由于传导纤维在端侧(即在其相应的端部上)突出于纤维复合层，所以可以将电源以简单的方式和方法连接到这些端部上。
该目的还通过一种用于飞行器的前缘加热系统得以解决，所述前缘加热系统包括根据本发明的前缘装置和用于提供电加热功率的电源，其中所述电源电连接到所述前缘装置上、尤其电连接到一个或多个闭合电路上。根据本发明的前缘加热系统基本上利用与根据本发明的可加热的前缘装置相同的优点。
前缘加热系统的一种实施方式也是优选的，所述前缘加热系统进一步具有：调节单元，所述调节单元具有温度传感器，其中所述电源的加热功率可以通过所述调节单元和所述温度传感器来调节。如果由于当前的气象环境条件，希望在飞行之前或飞行期间抗冰或除冰，则以这种方式可以连续地调整被引导通过传导纤维的电流。
优选地，所述加热功率以如下方式选择，使得在所述前缘装置的外侧面上产生在1℃和10℃之间、尤其在3℃和6℃之间的表面温度。在前缘装置的外侧面上的这种表面温度下成功地阻止了结冰。为了选择并且提供相应的加热功率，例如可以假设这样的环境条件(环境空气温度、环境空气湿度、迎流速度)，其中通常可能结冰(即在一定程度上为负面情景)。在飞行器的迎流表面上形成或沉积的冰可能呈现不同的形状或结构。通常区分为清澈冰、霜状冰和混合冰，其中这些冰形式可以在环境空气温度为约-15℃和约5℃之间的情况下出现在被迎流空气环流的外表面上。为抗冰或除冰而选择并且提供导致表面温度在1℃和10℃之间、尤其在3℃和6℃之间的加热功率，也就是说，例如可以假设飞行器的巡航气流速度(通常为约830km/h)和约-15℃和约5℃之间的环境空气温度以及经常在行程期间出现的环境空气湿度。以这种方式，尤其在有利于结冰的环境条件下可以通过确定对应的加热功率的大小来保证抗冰或除冰。应理解，于是在不太有利于结冰条件下(例如，较干燥的环境空气或较低的气流速度或较高的环境温度)也可以阻止结冰。
最后，该目的同样通过一种飞行器得以解决，所述飞行器具有根据本发明的前缘装置或具有根据本发明的前缘加热系统。根据本发明的飞行器基本上利用与根据本发明的可加热的前缘装置或根据本发明的可加热的前缘加热系统相同的优点。
上述的方面和本发明的其他方面、特征以及优点同样可以从实施方式的实例中得出，这些实例在下文中参照附图来说明。
附图说明
在附图中将相同的附图标记用于相同或至少相似的元件、部件或方面。应注意的是，在下文中将详细描述实施方式，这些实施方式仅是展示性的并且不是限制性的。在本文中，词语“具有”并不排除其他要素，并且不定冠词“一个”不排除多个。仅仅在不同的实施例中提及特定的特征的情况并不限制本发明的主题。也可以有利地使用这些特征的组合。附图标记不应限制本发明的范围。这些图不是按比例绘制的，而是仅具有示意性和说明性的特征。在附图中：
图1示出了根据本发明的前缘装置的立体视图，
图2示出了根据本发明设计的传导纤维的立体视图，
图3示出了根据本发明的具有前缘装置的前缘加热系统的俯视图，并且
图4示出了具有根据本发明的前缘加热系统或根据本发明的前缘装置的飞行器。
具体实施方式
图1示出了用于飞行器12的可加热的前缘装置10。前缘装置10具有前缘基本结构14和加热层16。此外，前缘装置10还可以包括保护层18。加热层16具有至少一个纤维复合层20，该纤维复合层自身具有纤维和包围纤维的基质(未详细展示)。加热层16除该至少一个纤维复合层20之外原则上还可以具有其他的纤维复合层。这些其他的纤维复合层例如可以是传统的玻璃纤维增强的或碳纤维增强的塑料(GFK或CFK)。
与之不同的是在该至少一个纤维复合层20中至少部分地将纤维设计为传导纤维22(参考图2)。在此，传导纤维22被设计为具有电绝缘涂层26的碳纤维24。传导纤维22可以作为电导体从而作为电加热元件使用，以加热前缘装置10。在此，传导纤维22被整合到前缘装置10中，其中电源46(参考图3)可以施加到传导纤维22上，以便引导加热电流通过这些传导纤维。通过作为电加热元件起作用的传导纤维22可以设定前缘装置10的外侧面28上的所期望的表面温度。由于传导纤维22的电绝缘涂层26避免了漏电流。传导纤维22以如下方式整合在纤维复合层20中，使得这些传导纤维在端侧通过连接元件15从纤维复合层20中伸出。传导纤维22可以彼此触碰并且在此不仅用作电导体同时还用作纤维复合层20的增强纤维。
前缘基本结构14包括第一纤维复合层5、第二纤维复合层7和第三纤维复合层9。这些纤维复合层5、7、9例如可以是传统的玻璃纤维增强的或碳纤维增强的塑料(GFK或CFK)。应理解，前缘基本结构14还可以额外包括其他的纤维复合层。此外还可能的是，前缘基本结构14还具有蜂窝结构(未示出)。
例如可以被设计为外部的侵蚀层并且被布置在前缘装置10的外侧的保护层18用于保护加热层16以及在其下方或内部布置的前缘基本结构14免受机械损伤。保护层18可以例如被设计为漆、颜料、或金属保护层或被构造成多层的。
在图2中示出的电绝缘涂层26可以具有在0.1微米至1微米范围内的厚度。碳纤维24例如可以具有在6微米和7微米之间的直径，从而得出传导纤维22的直径为约7微米至8微米。电绝缘涂层26例如被设计为聚合物电解质涂层。这种聚合物电解质涂层可以具有至少700摄氏度的耐热性，但在此同时提供用于键合到纤维增强构件中的优异的键合特性。
图3示出了用于飞行器12的前缘加热系统40。前缘加热系统40包括前缘装置10和用于提供电加热功率的电源46。在图3中，前缘装置10的纤维复合层20示例性地以展开的方式示出。然而应理解，纤维复合层20或未示出的前缘基本结构14可以具有如图1中示出的机翼前缘或尾翼前缘的形式。电源46以导电的方式连接到前缘装置10上。此外，前缘加热系统40还具有调节单元50，该调节单元具有温度传感器48，通过该调节单元可以调节电源46的加热功率。如果发生与所期望的预定温度的偏差并且希望对该偏差进行补偿，则可以通过调节单元50连续地调整传导纤维22中的导电电流。通过调节单元50可以以如下方式选择加热功率，使得在前缘装置10的外侧面28上产生在+1℃和+10℃之间、尤其在+3℃和+6℃之间的表面温度。
传导纤维22以如下方式整合到纤维复合层20中，使得这些传导纤维能够在端侧通过连接元件15从纤维复合层20中伸出并且能够被电连接。传导纤维22构成闭合电路30，其中电源46经由连接元件15导电连接到闭合电路30上。
在图3中，构成闭合电路30的传导纤维22仅示例性地选择和展示为在纤维复合层20中蜿蜒的并且连续的单纤维的形式。替代性地，传导纤维22在纤维复合层20中的布置形式可以从如下组中选择：纤维束、纤维带、纤维片、纤维垫、纤维织物或纤维无纺布。因此原则上也可能的是，实现大量的闭合电路30，以用于加热前缘装置10。
最后，图4示出了一种飞行器12，可加热的前缘装置10或前缘加热系统40整合到该飞行器中。
Claims (11)
1.一种用于飞行器(12)的可加热的前缘装置(10)，所述前缘装置具有：前缘基本结构(14)、加热层(16)，
其中所述加热层(16)包括纤维复合层(20)，所述纤维复合层具有纤维并且具有包围所述纤维的基质，
其中所述纤维至少部分地被设计为传导纤维(22)，并且
其中所述传导纤维(22)被设计为具有电绝缘涂层(26)的碳纤维(24)。
2.根据权利要求1所述的前缘装置(10)，其特征在于，所述传导纤维(22)构成一个或多个闭合电路(30)。
3.根据权利要求1或2所述的前缘装置(10)，其特征在于，所述绝缘涂层(26)是聚合物涂层、尤其是聚合物电解质涂层。
4.根据前述权利要求之一所述的前缘装置(10)，其特征在于，所述传导纤维(22)在所述纤维复合层(20)中的布置形式选自以下组：单纤维、纤维束、纤维带、纤维片、纤维垫、纤维织物和纤维无纺布。
5.根据前述权利要求之一所述的前缘装置(10)，所述前缘装置还包括保护层(18)、尤其外部的侵蚀层，所述保护层被布置在所述前缘装置(10)的外侧。
6.根据前述权利要求之一所述的前缘装置(10)，其特征在于，所述电绝缘涂层(26)具有在0.1微米至1微米范围内的厚度。
7.根据前述权利要求之一所述的前缘装置(10)，其特征在于，所述传导纤维(22)以如下方式整合在所述纤维复合层(20)中，使得所述传导纤维(22)至少在端侧从所述纤维复合层(20)中伸出。
8.一种用于飞行器(12)的前缘加热系统(40)，所述前缘加热系统包括：根据前述权利要求之一所述的前缘装置(10)，和
用于提供电加热功率的电源(46)，
其中所述电源(46)电连接到所述前缘装置(10)上、尤其电连接到所述一个或多个闭合电路(30)上。
9.根据权利要求8所述的前缘加热系统(40)，所述前缘加热系统还具有调节单元(50)，所述调节单元具有温度传感器(48)，其中通过所述调节单元(50)和所述温度传感器(48)能够调节所述电源(46)的加热功率。
10.根据权利要求8或9所述的前缘加热系统(40)，其特征在于，所述加热功率以如下方式选择，使得在所述前缘装置(10)的外侧面(28)上产生在+1℃和+10℃之间、尤其在+3℃和+6℃之间的表面温度。
11.一种飞行器(12)，所述飞行器具有根据前述权利要求1至7之一所述的前缘装置(10)或具有根据权利要求8至10之一所述的前缘加热系统(40)。
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